防尘定位式家用手电钻的人因设计

贾舒媛 王浩炜 常智权 唐周 董学文 马继许 闫本忠 向明森

摘要：本文主要从传统电钻的安全性、舒适性、打孔精度三方面进行分析和优化。为传统手电钻设计了防尘罩，主要用于收集打孔产生的废屑，防止灰尘危害操作者的健康和阻碍操作者的操作。为传统手电钻设计了定位装置及刻度，使操作者更方便地打出垂直于墙面的孔，并且能很容易了解所打孔的深度。同时运用人因工程的相关知识对传统手电钻的手柄进行重新设计，使手柄更加符合人的生理和心理特性。

Abstract： This home electric drill is mainly analyzed and optimized from the three aspects about safety， comfort and drilling precision in this paper. The dustproof cover is designed for the traditional hand drill， which is mainly used to collect the waste material produced by punching holes and prevent the dust from harming the operator's health and the operation of the operator. The positioning and scale device are designed for the traditional hand drill， making it easier for the operator to type the hole perpendicular to the wall， and it is easier to understand the depth of the perforation. At the same time， using the knowledge of human factors engineering to redesign the handle of the traditional hand drill， the handle is more consistent with the human physiological and psychological characteristics.

關键词：人因工程；手电钻；防尘定位

Key words： human factors engineering；home hand electric drill；dust-proof and positioning

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）10-0097-02

1 绪论

根据相关数据显示，全世界每年消耗的大量电动工具中，有80%是由我国工厂生产并组织出口的。电钻类产品，是电动工具中的常规产品，同时也是需求量最大的电动工具类产品。据了解，手持式电动工具，特别是那些内装有不平衡质量旋转部件的工具，如带有曲柄连杆活塞冲击装置的工具及装有偏心装置的工具，运动时都会产生较大的振动。操作这些工具时，振动会传导到操作者的手、腕部和肩部，而引起的手臂振动病早在1957年就被列为我国法定的职业病之一，也称为局部振动病，并典型表现为发作性白指。除此之外，传统的手持电钻还存在安全措施不到位、打孔精度不高等问题。随着手持电钻在电动工具的广泛应用，其产生的危害越来越受到人们的关注。

2 家用手电钻的人因设计

博世手电钻是在市场非常畅销的品牌，本研究以博世GSR120型手电钻为研究对象进行人因设计。本次优化不涉及电钻内部结构，不改变其相关功能单位及整体尺寸。博世GSR120型手电钻的外形如图1所示。

2.1 防尘罩设计

针对传统手电钻无法防尘的缺点，本研究为传统手电钻设计了防尘罩，此防尘罩将有效收集打孔产生的废屑，并且防止灰尘危害操作者的安全。防尘罩效果图如图2所示。

根据人体手部尺寸数据，女性第五百分位的手长为159mm，在使用打孔时，操作者需要用左手握持该装置。为了该装置能够被大多数操作者握持，该装置的大圆直径设计为100mm，其周长为314mm，能够满足大多数用户掌握的圆弧的角度大于180°。同时该防尘罩需要其拥有足够大的空间来容纳废屑。

在大圆同一轴线上开一个直径的10mm的小孔的目的是方便电钻的钻头进出。同时10mm的孔为高速旋转的钻头和防尘罩预留了安全空间，保证了防尘罩与钻头不会接触。

在大圆同一平面下方设计一块挡板。挡板的主要作用是收集废屑，保护操作环境。挡板的上边缘距离圆轴线10mm，防止挡板干扰钻头的进给，下边缘和防尘罩的大圆面重合。挡板的上边缘有60°的倾斜角，方便废屑划入废屑收集区。

透明的材质是为了方便操作者观察电钻的运行状态，同时能使操作者很直观的了解废屑收集区的剩余空间，及时倒掉废屑收集区的废屑。防尘罩的三维模型如图2所示。

2.2 定位装置设计

针对传统手电钻无法确定打孔深度以及不能保证所打孔垂直于墙面的问题，本研究设计了用于定位的辅助装置。

该定位装置由一个圆柱和一个套环组成。该圆柱的直径为10mm，长度为200mm，套环的内圆的直径为10mm，套环厚度的2mm，宽度为10mm，套环的另一端连在电钻外壳上。该圆柱的作用相当于一根导轨，保证手电钻的进给方向垂直于墙面，所以导轨的表面必须光滑，不易磨损。该导轨可采用不锈钢皮制作，套环可以采用硬质塑料制造，减轻操作者的负担。导轨上可有5mm宽的尺度，可以根据套环的所在位置计算出孔的深度。

图3展示的是合并过后的防尘定位装置，新的装置更加符合人的人因工程的相关知识。将两个辅助装置合并为一个，防尘罩的大端面和导轨的端面重合，导轨的轴线和防尘罩的轴线在同一平面上，导轨与防尘罩的外圆面相切，且在防尘罩挡板的正上方，这样整个系统不会因为手电钻的重力而影响所打孔的精度。除此之外，合二为一的组合装置减小了新产品的复杂程度，方便操作者装配、打孔、存放。合并后的防尘定位装置整合了防尘和定位的功能，导轨和防尘罩的大端面相结合，保证了导轨始终垂直于墙面，手电钻在套环的辅助下平行于导轨运动，所以能使所打的孔垂直于墙面。

2.3 手柄优化

根据相关资料显示，掌握式工具的手柄的直径一般在30-50mm之间，手柄的长度一般在90-125mm之间，把手长度主要取决于手掌宽度，以男第95百分位的数据计算，考虑的操作者可能佩戴手套，取功能修正量20mm，心理修正量取10mm。因此，手柄截面的周长取值为120mm。

根据实际情况，针对传统手电钻的手柄设计没有参考人因工程的相互知识，本研究优化后的手柄能有效地减小震动对人体的伤害，使操作者握持更舒适，打孔时更省力。确定的手柄的基本形状，如图4所示。

优化后的手柄的截面呈椭圆状，手柄轴线与手电钻主轴成70°夹角，手柄的长度为120mm，手柄截面为椭圆形状，可以防止手柄与手掌完全贴合，使操作者在握持时手掌与手柄之间有一定空隙，减小手电钻的震动对人体的伤害。手柄上部过度圆滑，目的是保护手掌虎口位置。

手柄与主轴夹角为70°。操作者在握持此手部时，手腕处于顺直的状态，可以有效减小操作者的疲劳程度，以及患腕道综合征的可能性，同时手柄与主轴成一定夹角有利于操作者对手电钻施力。

底部截面周长为180mm，底部截面略大于中间截面，其目的是方便操作者握持，当手电钻和手臂顺直向下提着电钻的时候有效防滑，防止电钻坠落到地上。手电钻把手整体曲线流畅，没有尖角和指槽，有效保护操作者手掌不受划伤，以及能够满足不同人群使用。手柄相对于轴线有一定向前的弯角，进一步提高人手的舒适度。

3 评价

本研究以传统手电钻为研究对象，在安全方面，为传统手电钻设计了防尘罩，主要用于收集打孔产生的废屑，防止灰尘危害操作者的健康和阻碍操作者的操作。在打孔精度方面，本文为传统手电钻设计了定位装置及刻度，使操作者更方便地打出垂直于墙面的孔，并且能很容易了解所打孔的深度。在舒适性方面，本文运用人因工程的相关知识对传统手电钻的手柄进行重新设计，使手柄更加符合人的生理和心理特性；减小手柄与手掌的接触面积，从而减少震动对操作者的伤害。

参考文献：

[1]吴珊.家用小型电钻的产品设计[D].南昌：南昌大学艺术系，2013.

[2]张慧.手电钻人机设计研究[J].包裝工程，2008.

[3]姜楠.家用电动工具的系列化设计[J].包装工程，2008.